Проектирование схем гидроприводов

ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ МАШИН

 

При проектировании схем гидроприводов мобильных машин необходимо учитывать возможности применения гидравлической аппаратуры и агрегатов, производимых отечественными и зарубежными заводами и предприятиями для машиностроительной отрасли, а также рекомендации по рациональному использованию возможностей объемного гидропривода.

Принципиальная гидравлическая схема мобильной машины разрабатывается на основе следующих типовых схем:

а) схемы гидроприводов поступательного движения, в которых перемещение выходного звена – штока гидроцилиндра – может осуществляться с регулированием или без регулирования скорости, при фиксации или без фиксации положения штока;

б) схемы гидроприводов поступательного движения с параллельным и последовательным включением гидроцилиндров, управление которыми осуществляется с помощью гидравлических устройств, контролирующих путь и время перемещения выходных звеньев, а также нагрузку на них;

в) схемы гидроприводов поступательного движения с синхронизацией движения нескольких гидроцилиндров на базе регуляторов и делителей потока;

г) схемы гидроприводов вращательного движения, в которых выходными элементами являются различные типы гидромоторов, соединенных параллельно, последовательно или независимо друг от друга (в отдельных контурах), подключенных от одного или нескольких насосов;

д) схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией рабочей жидкости, с дроссельным или объемным регулированием скоростей выходных звеньев гидродвигателей;

е) схемы гидроприводов с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости с объемным способом регулирования скоростей движения выходных звеньев гидродвигателей.

Принципиальная схема объемного гидропривода определяет состав элементов и связи между ними, дает детальное представление о принципах работы мобильной машины. Правила выполнения принципиальных гидравлических схем регламентирует ГОСТ 2.704–76. Элементы на схеме изображаются с помощью условных обозначений [3, 4].

Основанием для разработки принципиальной гидравлической схемы являются требования к гидроприводу машины и условия ее работы. При составлении гидравлической схемы рекомендуется применять гидроаппараты и гидромашины, изготавливаемые заводами и предприятиями для машиностроительной отрасли, так как разработка специальной гидроаппаратуры приводит к повышению стоимости гидропривода.

При расчете гидропривода мобильной машины необходимо задаваться давлением, которое обеспечивает заданное усилие или момент на выходных звеньях рабочего или ходового оборудования. Расход жидкости при этом определяется скоростью или частотой вращения исполнительного механизма и геометрическими размерами гидродвигателей.

Величина рабочего давления определяет размеры элементов объемного гидропривода. Высокое давление позволяет уменьшить размеры машины, однако требует дорогостоящих насосов, гидроаппаратов и высокой герметичности соединений. Следует также учитывать условия прочности выходных звеньев гидродвигателей на изгиб и кручение при выполнении технологических операций в различных нагрузочных режимах.

Значения рабочего давления для объемных гидроприводов мобильных машин находятся в пределах 20 - 40 МПа. Следует помнить, что величина рабочего давления (МПа) может быть выбрана только из ряда чисел номинального давления по ГОСТ 12445 - 80 (см. табл. 1.1).

 

Таблица 1.1 – Значения номинального давления в соответствии с ГОСТ 12445 - 80

Значения номинальных давлений, МПа
0,10	-	0,16	-	0,25	-	0,40	-	0,63	-
1.00	-	1,60	-	2,50	-	4,00	-	6,30	-
10,0	12,5	16,0	20,0	25,0	32,0	40,0	50,0	63,0	80,0
100	125	160	200	250	-	-	-	-	-

 

Выбор давления из указанного ряда обусловлен тем, что именно на эти давления ориентируются заводы-изготовители гидроаппаратуры при разработке конструкций насосов, гидромоторов и других элементов гидропривода.

Исходя из заданной скорости (частоты вращения) перемещения рабочего органа, номинальный расход Q (л/мин) выбирают по ГОСТ 13825 - 80 (см. табл. 1.2).

 

Таблица 1.2 – Значения номинального расхода в соответствии с ГОСТ 13825 – 80

Значения номинального расхода, л/мин
1,000	-	1,600	-	2,500	3,20	4,00	5,00	6,30
10,00	12,50	16,00	20,00	25,00	32,0	40,0	50,0	63,0
100,0	125,0	160,0	200,0	250,0	320	400	500	630
1000	1250	1600	2000	2500	-	-	-

 

При правильно выбранном расходе общие потери давления в гидросистеме не должны превышать 5 - 6 % от давления насоса. После принятия решений по всем указанным выше пунктам вычерчивают принципиальную схему гидропривода машины и составляют краткое описание его работы.

 

ВЫБОР СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ

ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА

 

В зависимости от требований, связанных с эксплуатацией мобильной машины, в гидроприводе могут применяться объемное и дроссельное регулирование скоростей движения выходных звеньев гидродвигателей или сочетание этих способов.

Объемное регулирование скорости осуществляется изменением подачи насоса или гидромотора в зависимости от рабочего объема, который изменяется автоматически или с помощью управляющих устройств.

При дроссельном регулировании изменяются размеры проходных сечений дросселей или дросселирующих гидрораспределителей.

Выбор способа регулирования должен производиться с учетом оценки объемного и дроссельного регулирования по трем показателям: по нагрузочным характеристикам, коэффициенту полезного действия и стоимости элементов гидропривода.

Нагрузочная характеристика гидропривода выражает зависимость скорости движения выходного звена (штока гидроцилиндра или вала гидромотора) от нагрузки на нем:

υ = f ₁ (R) или ω = f ₂ (M _кр).

При этом значения рабочих объемов гидромашин (в случае объемного регулирования) или проходного сечения дросселя (в случае дроссельного регулирования) остаются неизменными. Нагрузочная характеристика отражает степень стабильности скорости выходного звена при изменяющейся нагрузке. По этому показателю наибольшей стабильностью по сравнению с вариантами гидросистем с дрос-сельным регулированием обладают гидроприводы с объемным регулированием.

Гидроприводы с объемным регулированием имеют существенно более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с гидроприводами, работающими по принципу дроссельного регулирования.

Как видно, по двум важнейшим показателям - нагрузочным характеристикам и КПД - лучшие качества имеет гидропривод с объемным регулированием.

С экономической позиции гидроприводы с объемным регулированием более дорогостоящие, чем нерегулируемые, по причине большой стоимости регулируемых насосов и гидромоторов в сравнении с нерегулируемыми. Значительные капитальные затраты при проектировании гидроприводов с объемным регулированием компенсируются меньшими эксплуатационными расходами вследствие высокого коэффициента полезного действия.

По этим причинам объемное регулирование применяют в тех случаях, когда существенными являются энергетические показатели, например, в машинах большой мощности, работающих в тяжелых нагрузочных режимах, длительных по времени, обеспечивающих непрерывные технологические процессы.

Гидропривод с дроссельным регулированием применяют для маломощных систем (до 5 кВт), а также при кратковременных режимах непрерывной работы. При этом стремятся применить недорогие гидромашины, например шестеренные.

При определении места установки дросселя нужно учитывать следующее. При знакопеременной нагрузке возможно только одно местоположение дросселя - после гидродвигателя в гидросхеме (гидромотора или гидроцилиндра), поскольку при других положениях (перед гидродвигателем или в параллельной гидролинии) не обеспечивается регулирование в момент, когда направление внешней нагрузки совпадает с направлением движения выходного звена гидропривода. Другими словами, схемы с дросселем в сливной магистрали обеспечивают двухстороннюю жесткость гидродвигателя (см. рис. 1, а), создавая наибольшую устойчивость против автоко-лебаний, и в особенности при малых скоростях движения выходного звена (штока гидроцилиндра или вала гидромотора).

Из схемы (рис. 1.1, б) видно, что при резком уменьшении расхода рабочей жидкости на входе в гидроцилиндр путем дросселирования поршень будет перемещаться под действием силы инерции движущейся массы. Применение такой схемы особенно нецелесообразно в системах с гидродвигателем вращательного движения (гидромотором или поворотным гидродвигателем), который может работать в переходных режимах с высокими ускорениями выходного вала, в результате чего инерция вращающихся деталей двигателя и присоединенной к нему массы внешней нагрузки может достигать значительной величины. Рассматриваемую схему (рис. 1.1, б) нельзя применять, например, в грузоподъемных машинах по причине возможности падения груза. Падению груза в данном случае противодействуют лишь сила трения поршня о цилиндр и сопротивление сливной гидролинии.

                     а)                                   б)                                   в)

Рисунок 1.1 – Варианты включения дросселя в гидросистему

 

При установке дросселя в сливной магистрали (см. рисунок 1.1, а) дроссель оказывает сопротивление увеличению (забросу) скорости выходного звена. Однако при резком торможении гидродвигателя в участке линии между гидродвигателем и дросселем могут возникнуть недопустимо высокие давления. Для предохранения гидропривода от разрушающих скачков давлений необходимо на участке трубопровода между гидродвигателем и дросселем установить предохранительный клапан.

В некоторых случаях применяются системы с дросселем, подключенным параллельно гидродвигателю (см. рис. 1.1, в). Жидкость, подаваемая насосом в объеме Q _н, делится на два параллельных потока, один из которых Q _ц поступает в силовой цилиндр (гидродвигатель), а другой Q _др переливается через дроссель в бак, причем количественно эти потоки обратно пропорциональны сопротивлениям ветвей. Основным недостатком этой схемы является пониженная жесткость и необходимость индивидуального источника питания для каждого потребителя. Однако при этом получается более высокий КПД и меньше нагревается рабочая жидкость. К тому же нагретая жидкость сливается в бак, минуя гидродвигатель.

При установке дросселя перед гидродвигателем нагретая в процессе дросселирования жидкость поступает в гидродвигатель, ухудшая тем самым тепловой режим гидропривода. Для обеспечения плавности страгивания выходного звена приходится дополнительно включать в сливную магистраль гидроклапан для создания подпора жидкости. Поэтому из двух вариантов последовательного включения дросселя предпочтительным является расположение дросселя после гидродвигателя.

Регулируемый дроссель в сочетании с обратным клапаном применяется в том случае, когда регулирование требуется только при движении выходного звена в одном направлении.